横向磁场作用下Taylor-Couette湍流流动的大涡模拟*

董帅 纪祥勇 李春曦

(华北电力大学能源动力与机械工程学院,保定 071003)

采用大涡模拟方法对横向磁场作用下导电流体Taylor-Couette 湍流流动进行数值模拟,以研究其运动规律.计算模型为无限长度,半径比为1/2.雷诺数分别选取为3000 和5000,磁场加载方式为全局磁场,哈特曼数取值0—50.对磁场作用下泰勒涡的演化过程、速度分布和湍动能分布进行分析,并与轴向磁场作用下泰勒涡演化过程进行对比.结果表明:磁场对流场有显著的抑制作用,扭曲的泰勒涡在横向磁场的作用下破裂成小尺度涡结构,并沿磁场方向排列;在外圆筒和垂直于磁场方向的区域,磁场抑制效果较强;随着雷诺数的增加,磁场抑制效果减弱,在流场不同区域,流动呈现出不同的特点.与轴向磁场相比,横向磁场对流场的抑制效果较弱,流场分布呈现出明显的各向异性.

1 引 言

Taylor[1]首次对同轴旋转圆筒内黏性流体的流动特性进行了研究,当内圆筒转速较低时,环形间隙内的流动为Couette 流动,当内圆筒转速达到某一临界值时,环形间隙内出现轴对称的泰勒涡,这一流动状态称为Taylor-Couette 流动.随着转速升高,环形间隙内的流态会依次呈现波状泰勒涡流、调制波状泰勒涡流、湍流泰勒涡流、无特征湍流等[2].

Taylor-Couette 流动具有丰富的运动特性,因此泰勒涡反应器被广泛应用到工业生产中,例如颗粒制备[3]、污水净化[4]、晶体生长[5,6]等;作为生物反应器,增强流体混合和相间传质,提高藻类生长速率[7];作为细胞培养平台……